СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую энергию.

При изготовлении омических контактов фотоэлектрического преобразователя важным фактором является минимизация омических потерь. Изготовление фотоэлементов малого размера, площадью 2-3 мм², приводит к существенному усложнению технологии постростовой обработки гетероструктур при создании омических контактов шириной 3-5 мкм, обладающими хорошей адгезией, низким омическим сопротивлением и высокой электрической проводимостью.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2458430, МПК H01L 21/28, МПК В82В 3/00, опубликован 10.08.2012), включающий формирование маски фоторезиста, химическую очистку поверхности гетероструктуры, осаждение слоев Ge и Cu общей толщиной 100-500 нм, первую термообработку гетероструктуры, удаление маски фоторезиста и вторую термообработку.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является его малая толщина, что приводит к снижению электрической проводимости омического контакта, и, как следствие, к снижению КПД и мощности фотоэлектрического преобразователя.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент US 9269784, МПК H01L 29/7786, опубликован 23.02.2016), включающий формирование на подложке из GaAs первого полупроводникового слоя, второго полупроводникового слоя, контактного слоя и проводящего слоя омического контакта. Создание омического контакта проводят осаждением слоев металлов из следующей группы: Ti, Al, Ni, W, Ge, Pt, Pd, Cu или их комбинации, или их сплавов.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является малая толщина омического контакта, недостаточная адгезия осаждаемых слоев, что ведет к увеличению омических потерь.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент CN 104733556, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18, опубликован 01.02.2017), включающий создание на полупроводниковой гетероструктуре антиотражающего покрытия, фронтального омического контакта путем осаждения слоев Au, AuGeNi, Au, Ag, Au, общей толщиной порядка 5 мкм, тыльного омического контакта путем осаждения слоев Ti, Pd, Ag, общей толщиной порядка 3 мкм.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является низкая адгезия и плотность осажденных слоев омических контактов, что приводит к снижению их электрической проводимости и увеличению омических потерь.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2515420, МПК H01L 31/18, опубликован 10.05.2014), заключающийся в том, что на полупроводниковой гетероструктуре A³B⁵ формируют фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты, проводят напыление слоев лицевой металлизации, удаляют фоторезист, напыляют слои тыльного контакта, отжигают контакты и формируют просветляющее покрытие. Для напыления слоев лицевой металлизации используют слои хрома толщиной 5÷15 нм, серебра толщиной 5÷15 нм, золото-германия толщиной 50÷80 нм, серебра толщиной 5÷6 мкм, золота толщиной 30÷80 нм.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является низкая химическая стойкость омических контактов, выполненных на основе серебра, что ведет к снижению срока эксплуатации ФЭП.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2357326, МПК H01L 31/18, опубликован 27.05.2009), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает напыление на гетероструктуру A³B⁵ основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального и тыльного омических контактов путем электрохимического осаждения серебра в импульсном режиме при горизонтальном расположении пластины над поверхностью электролита, причем после осаждения серебра наращивают защитный слой золота. Фронтальный омический контакт формируют через вторую фоторезистивную маску с расширенным на 1-2 мкм рисунком фронтального контакта.

Недостатками известного способа-прототипа являются большие омические потери изготовленного фотоэлектрического преобразователя. Наращивание контактов осуществляется с использованием серебра при постоянной плотности тока, что ведет к снижению адгезии, химической стойкости и плотности омических контактов, что в свою очередь приводит к снижению их электрической проводимости. При использовании расширенной на 1-2 мкм маски фоторезиста для проведения электрохимического утолщения фронтального омического контакта происходит снижение точности задания топологии прибора за счет разрастание контакта на фоточувствительную область. При создании фронтального омического контакта заданной конфигурации происходит увеличение омических потерь, вызванное перегревом фотоэлектрического преобразователя из-за несоответствия топологии омического контакта расчетным параметрам и нарушение баланса фоточувствительной области и области омического контакта.

Задачей настоящего технического решения является улучшение фотоэлектрических параметров ФЭП за счет уменьшения омических потерь.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя включает напыление на гетероструктуру A³B⁵ основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм² 1-2 минуты, а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм² до заданной толщины. Фронтальный омический контакт формируют через вторую фоторезистивную маску с суженным на 0,5-1 мкм рисунком фронтального омического контакта.

Электрохимическое осаждение золота выполняют для увеличения электрической проводимости омических контактов. Проведение электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 и использование двух режимов электрохимического осаждения золота сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм², а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм² обеспечивает снижению пористости и увеличение плотности омического контакта, что ведет к увеличению его адгезии и электрической проводимости, и, как следствие, к уменьшению омических потерь, к увеличению КПД и мощности ФЭП. При частоте импульсного сигнала менее 30 Гц или более 200 Гц и коэффициенте заполнения менее 0,2 или более 0,5 осаждение слоев золота происходит с образование пор, что свидетельствует о снижении плотности и адгезии омического контакта. Плотность тока на первом этапе электрохимического осаждения 0,002-0,005 мА/мм² используют для снижения скорости роста золота на стадии зародышеобразования, что обеспечивает увеличение плотности омического контакта. Осаждение на первом этапе проводят в течение 1-2 минут, что обеспечивает образование тонкого слоя золота повышенной плотности на всей области основы омического контакта. При проведении осаждения менее 1 минуты не достигается создание сплошного слоя золота, осаждение более 2 минут является технологически не целесообразным из-за низкой скорости роста золота. Плотность тока 0,02-0,05 мА/мм² обеспечивает формирование слоя золота заданной толщины при скорости роста 0,05-0,1 мкм/мин. При плотности тока менее 0,02 мА/мм² скорость роста золота снижается, что приводит к существенному увеличению трудозатрат и технологически не целесообразно. При плотности тока более 0,05 мА/мм² снижается плотность осаждаемого золота, что приводит к уменьшению электрической проводимости омического контакта.

Формирование фронтального омического контакта через фоторезистивную маску с суженным на 0,5-1 мкм рисунком фронтального омического контакта выполняют для увеличения точности топологии контакта. Золото обладает высокими параметрами твердости, что ведет к деградации фоторезистивной маски при его электрохимическом осаждении и, соответственно, к увеличению степени затенения фоточувствительной области. Создание суженной на 0,5-1 мкм фоторезистивной маски нивелирует процесс разрушения маски, так как при электрохимическом осаждении золота происходит разрастание омического контакта на 0,5-1 мкм на область, закрытую маской. Увеличение точности топологии фронтального омического контакта приводит к снижению омических и оптических потерь, так как задание топологии прибора выполняется в точном соответствии с расчетными параметрами фоточувствительной области и области омического контакта.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показан этап напыления основы тыльного омического контакта и формирования первой фоторезистивной маски;

на фиг. 2 показан этап напыления основы фронтального омического контакта;

на фиг. 3 приведен этап создания второй фоторезистивной маски;

на фиг. 4 приведен этап электрохимического осаждения золота на основы фронтального и тыльного омических контактов.

Настоящий способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя осуществляют следующим образом. На фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру 1 A³B⁵ (см. фиг. 1) напыляют основу 2 тыльного омического контакта. Далее создают первую фоторезистивную маску 3 с рисунком основы фронтального омического контакта. Напыляют основу 4 фронтального омического контакта, удаляют первую фоторезистивную маску 3 вместе с напылеными на нее слоями основы 4 фронтального омического контакта (см. фиг. 2). Проводят термообработку полученной структуры при температуре 360-370°С в течение 30-60 сек. Затем создают вторую фоторезистивную маску 5 с суженным на 0,5-1 мкм рисунком фронтального омического контакта (см. фиг. 3). Проводят формирование фронтального и тыльного омических контактов путем электрохимического осаждения золота 6 в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм² в течение 1-2 минут, а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм² до заданной толщины. Удаляют маску 5. (см. фиг. 4).

Пример 1. Были изготовлены омические контакты фотоэлектрического преобразователя настоящим способом. На фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру GaInP/GaAs/Ge, выращенную на подложке германия n-типа проводимости, напылили основу тыльного омического контакта Au(Ge)/Ni/Au. Сформировали первую фоторезистивную маску с рисунком основы фронтального омического контакта и напылили основу фронтального омического контакта Ag(Mn)/Ni/Au. Удалили первую фоторезистивную маску вместе с напыленной на нее основой фронтального омического контакта. Провели термообработку полученной структуры при температуре 360°С в течение 30 сек. Затем сформировали вторую фоторезистивную маску с суженным на 0,5 мкм рисунком фронтального омического контакта. Провели формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота из цианистого электролита золочения в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30 Гц, коэффициенте заполнения 0,2 в два этапа. На первом этапе при пониженной плотности тока j=0,002 мА/мм² в течение 1 минуты, и на втором этапе при плотности тока j=0,02 мА/мм² до толщины 5 мкм.

Пример 2. Были изготовлены омические контакты фотоэлектрического преобразователя способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру AlGaAs/GaAs, вырастили на подложке арсенида галлия р-типа проводимости, напылили основу тыльного омического контакта Ag(Mn)/Ni/Au, напылили основу фронтального омического контакта Au(Ge)/Ni/Au. Проводили термообработку полученной структуры при температуре 370°С в течение 60 сек. Формировали вторую фоторезистивную маску с суженным на 1 мкм рисунком фронтального омического контакта. Формировали фронтальный и тыльный омические контакты электрохимическим осаждением золота общей толщиной 2 мкм из цианистого электролита золочения в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 200 Гц, коэффициенте заполнения 0,5 вначале при плотности тока j=0,003 мА/мм² в течение 2 минут, а затем при плотности тока j=0,03 мА/мм².

Пример 3. Были изготовлены омические контакты фотоэлектрического преобразователя способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру AlGaAs/GaAs, вырастили на подложке арсенида галлия n-типа проводимости. Проводили термообработку полученной структуры при температуре 360°С в течение 60 сек. Формировали вторую фоторезистивную маску с суженным на 0,7 мкм рисунком фронтального омического контакта. Формировали фронтальный и тыльный омические контакты электрохимическим осаждением слоев золота общей толщиной 3 мкм из цианистого электролита золочения в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 60 Гц, коэффициенте заполнения 0,4 вначале при плотности тока j=0,005 мА/мм² в течение 1 минуты, а затем при плотности тока j=0,05 мА/мм².

Результатом процесса изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя стало увеличение плотности и адгезии фронтального и тыльного омических контактов, и увеличение их электрической электропроводности. Достигнуто также увеличение точности задания топологии фронтального омического контакта. Полученные результаты позволили снизить омические потери, увеличить КПД и мощность фотоэлектрического преобразователя.

Способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя включает напыление на гетероструктуру A³B⁵ основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм² 1-2 минуты, а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм² до заданной толщины. Фронтальный омический контакт формируют через вторую фоторезистивную маску с суженным на 0,5-1 мкм рисунком фронтального омического контакта. Изобретение позволяет улучшить фотоэлектрические параметры фотоэлектрического преобразователя за счет уменьшения омических потерь. 4 ил., 3 пр.

Способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя, включающий напыление на гетероструктуру А³В⁵ основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм² 1-2 минуты, а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм² до заданной толщины, при этом фронтальный омический контакт формируют через вторую фоторезистивную маску с суженным на 0,5-1 мкм рисунком фронтального омического контакта.